炭素の同素体は、ソート可能なさまざまな物理的形態であり、それらの原子を結合します。それぞれが独自の特性を持つソリッドに対応しています。分子的および構造的にそれらは互いに区別されます。これらの同素体には、結晶性と非晶性の2つの主要なタイプがあります。
結晶同素体は、空間内で原子の繰り返しパターンを持つものです。一方、アモルファス同素体では、原子が無秩序に配置され、固体内に2つの同一の領域はありません。したがって、前者は順序付けられ、後者は無秩序です。
炭素の主な同素体。出典：Jozef Sivek
結晶性のものには、ダイヤモンド（a）とグラファイト（e）が卓越しています。上の画像では、共通の側面を持つさまざまな構造が観察されています。それらは炭素原子（黒い球）のみで構成されています。
そして、アモルファス同素体の中には、アモルファスカーボン（b）があり、これを見るとわかるように、その構造は無秩序です。ただし、アモルファスカーボンには多くの種類があるため、固体のファミリーです。
また、炭素原子はフラーレン（c）やナノチューブ（d）などの超分子を形成することもあります。これらの超分子は、サイズと形状が異なる場合がありますが、同じ形状を保持しています。フラーレンとナノチューブはそれぞれ球形と管状。
炭素の共有結合
既知の炭素同素体のいくつかに取り組む前に、炭素原子がどのように結合しているかを検討する必要があります。
原子価結合理論によれば、炭素の原子価殻には4つの電子があり、それらと共有結合を形成します。電子的な促進と混成のおかげで、4つの電子は、純粋であっても混成であっても、4つの別々の軌道に配置できます。
したがって、炭素には最大4つの結合を形成する能力があります。
DC。4つのCC結合により、原子は価数オクテットに達し、非常に安定します。ただし、六角形に見られるように、これらのリンクが3つしかないというわけではありません。
六角形
炭素原子の混成に応じて、それぞれの同素体の構造に二重結合または三重結合が見られます。しかし、そのような結合の存在よりもさらに明白なのは、炭素が採用する形状です。
たとえば、六角形が観察される場合、それは炭素がsp 2ハイブリダイゼーションを持っていることを意味し、したがって孤立電子を持つ純粋なp軌道を持っています。最初の画像に完全な六角形が見えますか？それらを含む同素体は、二重結合（ベンゼン環など）の有無にかかわらず、炭素がsp 2であることを意味します。
メッシュ、平面、または六角形の層は、p軌道の不対電子の積である電子的な「屋根」または「雲」を持つsp 2炭素で構成されます。この電子は、他の分子と共有結合を形成したり、金属イオンの正電荷を引き付けたりします。K +やNa +のように。
また、これらの電子は、これらのシェルが結合せずに互いに積み重なることを可能にします（2つのp軌道のオーバーラップに対する幾何学的および空間的障害のため）。つまり、六角形の同素体は、結晶を構築するために順序付けられる場合とされない場合があります。
四面体
前のセクションで説明するように、四面体が観察される場合は、炭素にsp 3ハイブリダイゼーションがあることを意味します。それらには4つの単純なCC結合があり、それらは四面体結晶格子を形成します。このような四面体では、六角形のように自由電子はありません。
アモルファスカーボン
無定形炭素を代表する石炭の塊。出典：Pxhere。
アモルファスカーボンは、多数の六角形および四面体ネットワークが任意に配置された一種の多孔質スポンジとして想像できます。このミネラルマトリックスでは、他の要素をトラップして、スポンジを圧縮または拡張できます。同様に、その構造核は大きくも小さくもできます。
したがって、％炭素に応じて、さまざまなタイプのアモルファス炭素が生成されます。すす、木炭、無煙炭、カーボンブラック、泥炭、コークス、活性炭など。
一見すると、それらはすべて、黒、くすんだ、またはメタリックで灰色がかった色調のエッジにグラデーションを付けて、ほとんど同じように見えます（上の画像）。
すべてのアモルファスカーボンが同じ起源を持っているわけではありません。野菜の炭素は、その名前が示すように、野菜の塊と木の燃焼の産物です。一方、カーボンブラックとコークスは、石油プロセスのさまざまな段階と条件の製品です。
それらはあまり魅力的ではないように思われ、燃料としてのみ機能すると考えられますが、その固体の多孔性は、技術的な精製用途、吸収剤および物質の貯蔵、ならびに触媒担体として注目を集めています。
政治主義
アモルファスカーボンの構造は複雑で無秩序です。ただし、結晶学的研究では、それらが実際には四面体（ダイヤモンド）および六角形（グラファイト）のポリタイプであり、任意に層状に配置されていることが示されています。
たとえば、TとHがそれぞれ四面体層と六角形層である場合、アモルファスカーボンは構造的に次のように記述できます。またはHTHTTHTHHHTなど 特定のTおよびH層シーケンスは、アモルファスカーボンのタイプを定義します。しかし、その中には、反復的な傾向やパターンはありません。
このため、これらの炭素同素体を特徴付けることは構造的に困難です。その代わりに、その％炭素が好まれます。これは、その物理特性と燃焼または燃焼傾向と同様に、その違いを促進する変数です。
官能基
六角形の平面には不対電子があり、他の分子または原子と結合を形成できることが言及されました。例えば、周囲の分子がH 2 OおよびCO 2である場合、OHおよびCOOH基がそれぞれ形成されると予想することができます。それらは水素原子に結合し、CH結合を形成することもできます。
可能性は非常に多様ですが、要約すると、アモルファスカーボンは酸素化された官能基をホストできます。これらのヘテロ原子が存在する場合、それらは平面の端だけでなく、それらの内部にも配置されます。
黒鉛
黒鉛の六角形の層の結晶構造。出典：MartinThoma。
上の画像は、グラファイトの結晶構造の球とストリングを含むモデルを示しています。幸いなことに、球の影は、対になっていない電子の非局在化のπ雲積を視覚化するのに役立ちます。これについては、最初のセクションで詳しく説明していません。
これらのπ雲は、ベンゼン環のそれと金属結晶の「電子海」の2つのシステムと比較できます。
p軌道は互いに結合して、電子が自由に移動する軌道を構築します。しかし、六角形の2つの層の間だけです。それらに垂直に、電子または電流の流れはありません（電子は炭素原子を通過する必要があります）。
電子が常に移動するため、瞬間的な双極子が常に形成され、炭素原子の上または下にある他の炭素原子の双極子を誘導します。つまり、ロンドンの分散力により、グラファイトの層またはシートは結合したままです。
これらの六角形の層は、予想通り、六角形のグラファイト結晶を作成します。むしろ、異なる角度で接続された一連の小さな結晶です。π雲はまるで「電気バター」のように振る舞い、結晶に外乱が発生する前に層を滑らせます。
物理的特性
グラファイトの物理構造は、分子構造が解明されれば理解しやすくなります。
たとえば、熱の形で供給されるエネルギーは、六角形の層を不可逆的に分離し、六角形を破壊する必要があるため、グラファイトの融点は非常に高い（4400ºC以上）。
それらのレイヤーが互いにスライドできるとだけ言われました。また、鉛筆のグラファイトから堆積したときに紙を構成するセルロースなどの他の表面にも付着する可能性があります。この特性により、グラファイトは優れた潤滑剤として機能します。
そして、すでに述べたように、それは電気と熱と音の良い導体です。
グラフェン
二重結合のないグラフェンシート。ソース：ジント
最初の画像には示されていませんが、この炭素同素体は除外できません。グラファイトの層が掴まれて1つのシートに凝縮され、開いて広い領域を覆っているとします。これが分子的に行われた場合、グラフェンが生まれます（上の画像）。
つまり、グラフェンは個別のグラファイトシートであり、他と相互作用せず、旗のように振ることができます。ハニカムの壁に似ていることに注意してください。
これらのグラフェンシートは、グラファイトの特性を保持および増大させます。その六角形は分離するのが非常に難しいため、ひどい機械的抵抗を示します。鋼よりもさらに高い。さらに、それらは非常に軽くて薄いので、理論的には1グラムでサッカーフィールド全体をカバーできます。
上の画像をもう一度見ると、二重結合がないことがわかります。確かにそれらと三重結合（グラフィン）があるかもしれません。たとえば、グラフェンの化学が開くのはここです。
グラファイトや他の六角形の層のように、他の分子はグラフェンの表面に共有結合して、電子および生物学的用途のためにその構造を機能化できます。
カーボンナノチューブ
3種類のカーボンナノチューブ。出典：Mstroeck（Wikipedia経由）。
ここで、グラフェンシートをつかんで、チューブに丸め始めたとします。これらはカーボンナノチューブです。これらのチューブの長さと半径は、それらの空間的構造と同様に可変です。これらのナノチューブは、グラフェンおよびフラーレンとともに、最も驚くべき炭素同素体の3つを構成します。
構造的立体配座
上の画像には3つのカーボンナノチューブが示されています。それらの違いは何ですか？3つすべてに六角形のパターン化された壁があり、すでに説明した同じ表面特性を示します。その答えは、これらの六角形の相対的な向きにあります。
最初の形状はジグザグタイプ（右上隅）に対応します。注意深く観察すれば、管の縦軸に対して完全に垂直に配置された六角形の列があることが理解されます。
対照的に、アームチェアタイプのコンフォメーション（右下隅）の場合、六角形はチューブの長手軸と同じ方向に一列に配置されます。最初のナノチューブでは、六角形はその直径の意味で表面を横切り、2番目のナノチューブでは、「端から端まで」表面に沿って伸びます。
そして最後に、キラルナノチューブがあります（左下隅）。左または右に行くらせん階段と比較してください。同じことがこのカーボンナノチューブにも起こります。その六角形は左または右に昇順で配置されています。空間バージョンは2つあるため、キラリティーを示すと言われています。
フラーレン
C60フラーレン分子。出典：Benjah-bmm27。
フラーレンでは、六角形は維持されますが、さらに、すべてsp 2炭素を持つ五角形が表示されます。シートまたはレイヤーはすでに取り残されています。これらは、サッカーボールのようにボールを形成するように折りたたまれています。炭素の数に応じて、ラグビーボールに。
フラーレンはサイズの異なる分子です。最も有名なのはC 60（上の画像）です。これらの炭素同素体は、イオンや他の分子が隙間に閉じ込められる結晶を形成するために一緒に圧迫できるバルーンとして扱われるべきです。
これらのボールは、分子のための特別なキャリアまたはサポートです。どうやって？その表面、特に六角形の隣接する炭素への共有結合を介して。次に、フラーレンは機能化されたと言われています（外面付加体）。
その壁は戦略的に破壊され、分子を内部に格納できます。球形のカプセルに似ています。同様に、これらのボールには亀裂があり、同時に機能化する可能性があります。すべては、それらが意図されているアプリケーションに依存します。
ダイヤモンドの立方晶構造。出典：GYassineMrabetTalk✉この構造はPyMOLで作成されました。。
そして最後に、炭素の同素体の中で最もよく知られているのは、ダイヤモンドです（すべてが炭素であるわけではありません）。
構造的には、sp 3炭素原子で構成され、4つのCC結合と、結晶セルが立方体である四面体の3次元ネットワーク（上の画像）を形成します。鉱物の中で最も硬く、融点は4000℃に近い。
それらの四面体は、結晶格子全体に熱を効率的に伝達することができます。しかし、電気の場合はそうではありません。その電子は4つの共有結合に非常によく配置されており、どこにも移動できないためです。したがって、優れた熱伝導体ですが、電気絶縁体です。
それがどのようにファセットされるかに応じて、それは多くの明るく魅力的な角度で光を散乱させることができ、それが宝石や宝石として切望されている理由です。
四面体を移動するには多くの圧力が必要になるため、ネットワークは非常に耐性があります。この特性により、ダイヤモンド先端のメスと同様に、機械的耐性と硬度が高く、正確できれいなカットが可能な素材になります。
それらの色は、結晶学的欠陥とその不純物に依存します。
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